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隧洞开挖

/tunnel excavation/
条目作者赵长海

赵长海

最后更新 2022-12-23
浏览 153
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置于地下岩石或土体中用于交通、输水或其他用途工程的建筑物的开挖工程。

英文名称
tunnel excavation
所属学科
水利工程

隧洞开挖方式主要有钻爆法、掘进机法、盾构法、顶管法、冷冻法和人工配合小型机械等,根据地质条件、断面形状、支护方式、工期要求、施工设备和施工技术水平等因素确定。由于工作面狭小、干扰大、劳动条件差,再加上地质条件影响,不安全因素多,地质条件又很难在设计阶段全部查清,地质条件经常发生变化,施工如果应对不当或安全措施不到位,支护不及时,随时可能发生塌方,造成人员伤亡和设备的损失。所以隧洞开挖施工前应充分了解隧洞沿线的地质条件、水文条件,制定切实可行的施工方案,准备充足的抢险材料;在施工过程中加强地质超前预报和施工期的安全监测,根据超前预报和监测资料及时调整施工方法和参数。在隧洞开挖过程中会经常遇到地下水的情况,应在隧洞开挖过程中做好排水系统,及时排除地下水和施工用水。此外,隧洞通风也是有序施工,保证施工人员安全健康的关键。

当断面尺寸较大、断面形状特殊,或虽然隧洞较长,但具备开挖施工支洞条件均可采用钻爆法开挖。钻爆法开挖的关键是通过爆破试验,合理选用爆破参数。应采用光面爆破或预裂爆破技术,控制好开挖面的平均超挖值不大于20厘米。采用爆破方式开挖的隧洞可根据地质条件、洞室尺寸、施工机械实行全断面一次开挖成型或实行分部台阶法开挖。实行钻爆法开挖要根据围岩类别控制好循环进尺,采取不同的造孔设备,Ⅲ类及以下围岩开挖后应及时进行系统支护。

当隧洞单个工作面掘进长度较长,不适用钻爆法施工时,可采用隧道掘进机开挖,多适用于中型圆形断面隧洞的开挖施工。隧道掘进机主要有开敞式、单护盾和双护盾几种,可根据地质条件选用。掘进机开挖速度快,开挖面平整,对围岩扰动小,施工较为安全,但机体较为庞大,施工管理技术水平要求高,而且对地质条件变化适应性较差。

盾构机是一种带有护盾的掘进机,依靠护盾尾部的液压推进缸取得推力向前掘进,适用于第四系土层隧洞开挖。中国南水北调中线工程穿越黄河两条长3450米、开挖洞径为9.0米的输水隧洞,就是采用盾构机开挖完成的。

用顶管机尾部的千斤顶将预制的钢筋混凝土管顶入开挖的土体,并挖除管内土体通过皮带机运至洞外的开挖方法。顶管法适用于穿越已建成的构筑物底部,或不适宜采用钻爆法和人工开挖法的土体,其使用条件为,开挖洞洞径较小、土质均匀、埋深较浅的隧洞。

当开挖土(岩)体地下水丰富,且具有流动性时,可将开挖轮廓线以外周边一定范围的土(岩)体冻结,将流动的地下水隔离至开挖土体周围再开挖轮廓线内土(岩)体,此时地下水不会对开挖体产生干扰,可以保证开挖洞段的稳定。采用冷冻法开挖方式要掌握好混凝土衬砌的时机,并对衬砌混凝土采取防冻措施。中国云南省玉溪市的抚仙湖和星云湖旁通输水隧洞开挖时遇到流沙地层,难以开挖成洞,就是采用冷冻法使输水隧洞顺利贯通。中国建设的港珠澳大桥的海底隧道中也使用了这种建造方法。

岩体饱和单轴抗压强度小于5兆帕时为极软岩,中国许多隧洞建造在极软岩的土层或第三系半胶结状态的岩层中。极软岩隧洞,岩体单轴抗压强度低,有的甚至不足0.5兆帕,开挖后不能自稳,有些土质还有膨胀性,开挖后其最大收敛变形可达500毫米,采用人工配合小型机械开挖是一种较好的选择。

人工开挖法一般是采用风镐松动岩(土)体,小型挖掘机或人工装渣,农用斗车出渣的施工方法。这种方法关键是循环进尺小,实行用分部按台阶平行推进的方法施工,开挖完一部分,及时完成系统支护,限制围岩产生有害变形的发展。

人工开挖法开挖程序图人工开挖法开挖程序图

人工开挖关键要注意三个问题:一是控制循环进尺,一般为0.5~1.5米。二是为确保围岩稳定降低时间效应和空间效应引起的变形,支护应紧跟开挖面;支护措施为拱架、锚杆、钢筋网喷射联合支护。三是及时实施安全监测,根据监测结果调整开挖循环进尺和支护参数。

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